JPH0132283B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、粒状鉱石が、大部分水素と一酸化炭
素である熱還元気体により処理されるタイプの金
属鉱石の気体直接還元に関し、そして特に海綿鉄
の生産に有用な気体直接還元に関する。

還元気体は水蒸気または一酸化炭素による軽質
炭化水素等の接触リホーメーシヨン（改質）によ
り、酸素による燃料の部分燃焼により、および他
の当該技術分野の周知方法により製造することが
できる。より詳細には、本発明は接触リホーム装
置を用いる金属鉱石を還元するための改良された
方法および装置に関し、該接触リホーム装置にお
いては、移動床反応器の還元域からの反応した還
元気体流出物の少なくとも一部分が改善され、か
つ前記還元域に再循環され、この再循環された気
体流は前記還元域への再導入に先立つて加熱され
るものである。

米国特許第3765872号、第3779741号および第
4224057号は、本発明が特に有用である直接還元
移動床法タイプの好例である。

最近の劇的な燃料コストの増加につれて、産業
上の工程の生存可能性は、もしそれが燃料を有効
に用いないものであれば深刻な危険にさらされて
いると云える。直接還元法に用いられる接触リホ
ーム装置は適切な連続作用を高温で行い、かつ適
切な成分を有する還元気体を生成するために作動
せねばならないので、この種のリホーム装置は、
何らの廃熱回収もなしには、最大熱効率は約50％
にしかならない。

軽質炭化水素およびナフサのリホーメーシヨン
反応は触媒充填管内で600乃至900℃の温度範囲で
行なわれる。触媒管は、典型的には、輻射室内に
配置されており、そこで新媒管は燃焼加熱され
る。生成された煙道ガスは代表的には1000℃程度
の高温で、その輻射室より排出される。

リホーム装置の総合効率を増加させるために、
過去においてはこれら煙道ガスの熱エネルギーの
できるだけ多くを回収する、というのがプラクチ
スであつた。たとえば、熱交換器を用いることに
よつて天然ガス流リホーム装置供給混合物を予熱
して、反応に必要な水蒸気を発生し、そしてリホ
ーム装置のバーナーに用いられる燃焼空気を予熱
する。これらの手段によつて、リホーム装置の総
合熱効率を80％乃至最高90または91％の範囲に増
加させることが可能となる。しかしながら、この
ようにリホーム装置の熱効率を増加させると、生
成された蒸気の若干のものは還元工程に必要な量
を超えてしまう。これを「エキスポート
（export）」水蒸気と称する。このエキスポート
水蒸気はタービンを駆動するのに用いることがで
きて、機械的または電気的エネルギー（たとえば
駆動ポンプ、コンプレツサー・モータ等に使用）
を発生する。しかし、多くの設備においては、そ
の他のより費用効果を有するエネルギー源が入手
可能であるという理由で、リホーム装置からの過
剰熱の利用によつてエキスポート蒸気を生成する
ことは好ましくない。

これらの接触リホーム装置が熱衝撃に対し非常
に敏感であり、従つて定常状態において運転しな
ければならない、ということも、また該装置の特
徴である。たとえばリホーム装置の始動には典型
的に、約１乃至３日かかる。その結果、最も望ま
しいのは、短時間の処理中断の間、そのリホーム
装置の運転が停止されない、ということである。

これらの方法におけるエネルギー消費の他の主
要源は、脱水補給還元気体および／または再循環
還元気体の温度を鉱石の還元に適したレベルま
で、すなわち700乃至1100℃、そして好ましくは
870乃至950℃の範囲内に高めるために用いられる
加熱器である。典型的には、この別の加熱器から
の煙道ガスの出口温度は通常140℃乃至200℃、か
つ好ましくは、約160℃に保持されている。加熱
器の操作条件は反応器の特別な操作条件に依存
し、そしてこの条件は、たとえば生産性に関する
変化、または装填される鉄鉱石のタイプによる変
化に基因して変更されるものである。

本発明の目的は、従来必要とされていたよりも
少ない燃料量をもつて、金属鉱石を金属粒子に還
元する方法及び装置を提供することにある。

更に本発明は、改良された総合熱効率を有す
る、この種の方法および装置を提供することを目
的としている。

本発明は更に前述の諸目的を、以前の方法によ
つて従来可能であつたよりもより効率的かつ経済
的な方法により達成することを目的とするもので
ある。

更に本発明の目的は、全プラント設計および操
作においてより大きな適応性を付与する方法およ
び装置を提供することにある。

本発明のその他の目的および効果は以下の本発
明の説明ならびにその好ましい実施態様について
の記載によつて明らかとなろう。

過去においては、リホーム装置と加熱器の機能
は分離されなければならない、と考えられて来た
が、本発明者等はこれらの装置が、改良された熱
効率および燃料節減を実現し、さらに、反応器の
要求（運転停止を含む）変化に対応する加熱器の
操作変更を可能としながら、リホーム装置の定常
運転を保持するのに要する独立の操作の適応性を
も達成し得る程度に組合わせ可能であることを見
出した。

この驚くべき、リホーム装置と加熱器との部分
組込みは、リホーム装置の煙道ガス（代表的に約
650℃乃至700℃）を加熱器に供給することにより
達成された。これにより、加熱器の燃料の所要量
は、リホーム装置の煙道ガスにおける熱含量に等
しい量だけ減少する。加熱器内の独立のバーナー
は反応器の所要量に対応し、反応器に送られる還
元気体を加熱するため必要なエネルギーの残部を
供給する。加熱器のバーナーはリホーム装置のバ
ーナーとは独立になつているので、加熱器は運転
停止が可能であり、かつリホーム装置煙道ガスを
加熱器から転流して、加熱器の上流に位置した別
の排気筒を経由してガス抜きすることが可能であ
る。このため、加熱器が運転停止している間でも
リホーム装置を連続作動させておくことができ
る。

この改質（リホーム）炉と加熱炉との組込みに
より、約93％のオーダーある改良された総合熱効
率をえることができる。更に、より重要なこと
は、別々の炉とは反対に、組込んだ炉に燃料を供
給するのに要する単位時間当りの熱含量の減少は
約13％の燃料節減が可能であると言うことであ
る。

本明細書ならびに添付図面において、本発明者
等は本発明の好ましい実施態様を示し、かつ説明
し、またそれらの種々の変更または変形を示唆し
ているが、これらは完全なものを意図するもので
はなく、従つて本発明の範囲内において、その他
の数多くの変更ならびに変形をなすことができる
ことを理解すべきである。

本明細書におけるこれらの示唆は、他の当業者
が本発明およびその原理をより詳細に理解し、そ
してその結果それを変形し、かつ種々の形態、つ
まり特定の使用条件に最も良く適合し得る形式で
実施できるようにするための例示の目的で選択さ
れ、かつ包含されるものである。

この種の一つの変型および実施態様は、一般的
に上記した加熱器およびリホーム装置複合方式と
協働させるために設計された第２の独立に調整さ
れた加熱ユニツトを統合する方法のフロー体系図
をさすものである。この第２の加熱ユニツトは加
熱器およびリホーム装置複合方式内で発生した熱
を効果的に補充するため所要の加熱出力を有す
る、機能的に別の加熱源として設計されることが
できる。この方法において、工程の効率を維持
し、かつ改良された適応性およびバツクアツプ信
頼性を維持しつつ、なお全システムの資本経費を
大巾に減少することができる。更にこの種の第２
の独立して駆動される加熱器を利用する整合プロ
セス設計は、別々のリホーム装置および加熱器を
有し、既に操業している従来の固定床もしくは移
動床の直接還元プラントを、前記独立した加熱器
を保持したまま同時に従来のリホーム装置を、増
強された能力を本明細書中に記載された加熱器お
よびリホーミング複合ユニツトと置換することに
より向上させる場合に、非常に重要なものとな
る。

以下の説明は具体的には鉄鉱石かつ海綿鉄への
還元に関しているが、この直接気体還元方式はま
た、鉄鉱石以外の金属鉱石の還元にも適用し得る
ことが当業者には明らかな筈である。

第１図を参照すると、符号１０は一般的に堅型
シヤフト移動床反応器を示し、該反応器はその上
部に還元域１２を、またその下部に冷却域１４を
有している。還元すべき鉄鉱石は入口１６を経由
して反応器の頂部に入り、そして還元帯１２を経
由して下方へ流れ、ここで鉄鉱石は上方へ流れる
熱還元気体により還元される。次に還元された鉄
鉱石は冷却域１４を経由して流下し、そして排出
口１８を経由して反応器の外へ出る。

鉄鉱石の還元は、リホーミングユニツト３０内
で生成される大部分が一酸化炭素と水素である還
元気体によつて行われる。供給源４０からの天然
ガスは流量調整器４２およびパイプ４４を経由し
て流れ、次にこのガスは分割されて一部はパイプ
４６を経由して使用の地点（たとえば燃料ガスと
して）へ流れ、この天然ガスの残りの部分はパイ
プ４８を経由して流れ、ここでガスはパイプ４９
からの水蒸気と混合される。天然ガスと水蒸気の
混合物はパイプ５０を経由して流れ、そしてこれ
は加熱管５２内で予熱され、その後この加熱され
た混合物はパイプ５４を経由して触媒充填管５６
へ流入し、ここで天然ガスと水蒸気はリホームさ
れて、大部分水素と一酸化炭素である還元気体を
生成する。熱還元気体は、700乃至1000℃の範囲
の温度で、パイプ５８を介して触媒充填管５６を
出る。天然ガスと水蒸気の混合物は、下記の反応
に従つてリホーミングユニツト３０内でリホーム
することができる。

CH₄＋H₂O→3H₂＋CO リホーミングユニツト３０は、その操作が加熱
ユニツト８０の操作を複合して制御し得るように
設計されている。

具体的にはリホーミングユニツト３０は、触媒
充填管５６、第１対流室３４および排気筒３６を
備えた輻射室３２を有している。熱はバーナー３
８を経由してリホーミングユニツト３０に供給さ
れる。天然ガスは800℃乃至1200℃の範囲内の温
度を有する第１対流室３４内の燃焼生成物によつ
てリホーミングユニツト３０内で燃焼される。燃
焼または煙道ガスの生成物は対流室３４を経由し
て流れ、そして加熱管５２を通過して加熱ユニツ
ト８０の入口に達する。加熱ユニツト８０の入口
における煙道ガスの温度は約500乃至1000℃、好
ましくは650℃乃至700℃の範囲内にある。加熱ユ
ニツト８０は第２対流室８２を有し、これは誘導
通風フアン８６を介して排気筒８４と連通してい
る。排気筒３６はリホーミングユニツト３０から
熱煙道ガスを大気中に、加熱ユニツト８０をバイ
パスすることによつてガス抜きする。加熱ユニツ
ト８０の運転を停止すると、ダンパ３７は、リホ
ーミングユニツト３０の定常状態作動を維持する
ために、熱煙道ガスが排気筒３６を介して転流さ
れ、そしてガス抜きされるように位置決めされて
いる。

水約20乃至25容量％を含み、パイプ５８を経由
して流れる還元気体は廃熱ボイラー６０、熱交換
器６２および急速冷却器６４を通過し、そしてこ
の冷却器内で還元気体中の水が凝縮される。比較
的乾燥した、すなわち水分約１％で、かつ冷却さ
れた還元気体がパイプ６６を経由して流れ、そし
て反応器１０の還元域からの反応器気体流出物と
混合される。

次に、上記した反応器１０に戻れば、鉱石の還
元は大部分が一酸化炭素と水素とである還元気体
によつて行われ、この還元気体は加熱ユニツト８
０内で約750乃至1000℃の範囲内の温度に加熱さ
れ、そしてパイプ１００を介して反応器１０に流
入する。反応器内への噴射の後、熱還元気体は還
元域１２内の粒状鉄鉱石の中を通つて上方へ流れ
て、該鉱石を海綿鉄に還元する。還元域１２内の
鉱石床の頂部から去る気体はパイプ１０２を経由
して反応器を去り、そして急速冷却器１０４を貫
流し、ここで気体は冷却水と直接接触させること
により冷却され、かつ脱水される。冷却かつ脱水
された還元気体はパイプ１０６を経由して冷却器
１０４を去り、次に分割されて一部分はパイプ１
０８を貫流して、貯蔵もしくは使用の適切な地点
（たとえば燃料ガスとして）へ送る。パイプ１０
６を貫流するこの還元気体の残りの部分はパイプ
１１０を貫流してポンプ１１２に流れ、このポン
プによつて残部還元気体はパイプ１１４を経由し
てCO₂除去ユニツト１１６中へポンプ輸送され
て、反応器流出物からCO₂が除去される。次いで
良好となつた還元気体はパイプ１１８を経由し
て、リホーミングユニツト３０からパイプ６６を
経由して流れて来る補給還元気体との混合地点へ
流れる。

反応器の流出物と補給還元気体との混合物はパ
イプ１２０を経由して加熱ユニツト８０へ流れ、
ここで該混合物は対流室８２内に設けられた加熱
管８１中で加熱される。熱は調節器９０によつて
調整されたバーナー８８によつて加熱ユニツト８
０に供給される。このように大部分の還元気体は
還元域１２、パイプ１０２、冷却器１０４、パイ
プ１０６および１１０、ポンプ１１２、パイプ１
１４、CO₂除去ユニツト１１６、パイプ１１８お
よび１２０、加熱ユニツト８０およびパイプ１０
０を含んで成る還元ループ中に流れる。このルー
プに対して補給還元気体がリホーミングユニツト
３０からパイプ６６を経由して添加され、このリ
ホーミングユニツトはパイプ１１８内の反応器流
出物と組合わされて、パイプ１２０を経由して加
熱ユニツト８０へ流れる。添付図面に示すよう
に、パイプ１０８は反応器内に所望の高圧を保持
するために背圧調整器１０９を備えている。

冷却域１４も還元域１２同様、気体流ループ部
を形成している。冷却気体はパイプ１２２を経由
して冷却域の底部に入り、そして冷却域１４を経
由して上方へ流れ、パイプ１２４を介して流出地
点、冷却器１２６に達し、ここで冷却および脱水
され、それからパイプ１２８を経由して排除され
て循環ポンプ１３０に達し、該ポンプによつてパ
イプ１３２を経由してパイプ１２２にポンプ作用
により戻される。

次に第２図に示した実施態様についてみると、
基本的な還元工程は第１図に記載したものと類似
しているので、下記の詳細な説明は両実施態様間
の実質的な相違に限られていることを注意された
い。更に理解されるべきは第２図に示した装置で
あつて、本明細書中に説明しない部分で第１図に
示し、かつ説明した対応する装置のそれと類似も
しくは同一であるということである。

鉄鉱石の還元は、第１図に示したプロセス体系
について説明したようなリホーミングユニツト内
で生成された、大部分一酸化炭素および水素であ
る還元気体によつて行われる。熱還元気体はパイ
プ２００を経由して反応器内へ噴出され、そして
還元域２１９内の粒状鉄鉱石の間を上方へ流れ
て、該鉱石から海綿鉄への還元を行う。還元域２
１９内の鉱石床の頂部からの気体はパイプ２０２
を経由して反応器を去り、そして必要ならば第１
図に示したように急速冷却器およびCO₂除去ユニ
ツトを貫流する。急速冷却器、CO₂除去ユニツト
および関連設備を出た還元気体はパイプ２０４を
貫流して、リホーミングユニツト２３０内でリホ
ームされ、かつ急速冷却器２６４からパイプ２０
６中へ流れ、かつこれを経由する新鮮な補給還元
気体と組合わされて、パイプ２０８において結合
気体を形成する。パイプ２０８を貫流する気体の
一部はパイプ２１０に流入し、これを経由して加
熱ユニツト２２０内に設けられた加熱管２１２を
介して流れる。パイプ２０８を貫流する気体の残
りの部分はパイプ２１４中に流入し、これを経由
して加熱ユニツト２８０（第１図に例示した複合
装置と同様に、前記リホーミングユニツト２３０
と整合するように設計されたもの）内に設けられ
た加熱管２１６中に噴出する。

加熱ユニツト２８０内を貫流する気体はここに
おいて加熱され、そしてパイプ２１８を経由して
出る。同様に加熱管２１２を貫流する気体は加熱
され、そしてパイプ２２１を経由して加熱ユニツ
ト２２０を出る。パイプ２１８および２２１を貫
流する加熱気体は組合わされ、そしてパイプ２２
２を経由し、加熱ユニツト２２０中に噴出され、
次いで加熱管２２４および２２６内で制御しなが
ら加熱される。組合わされた気体流はパイプ２０
０を経由して加熱ユニツト２２０を出て、そして
パイプ２００を介して反応器に再循環される。加
熱ユニツト２２０および２８０において、それを
経由して流れる各気体流に供給された熱の相対量
は制御しうる。種々のプロセス条件によつて、補
充加熱ユニツト２２０における加熱要求を最小と
するのが望ましいかも知れないし、或いは加熱ユ
ニツト２８０中に供給された熱の量を減少するの
が有利かも知れない。どちらの加熱ユニツトによ
つて供給された熱の量であるかには関係なく、パ
イプ２００を経由して反応器に再循環される還元
気体の温度は約750℃乃至1000℃の範囲にあるべ
きである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施態様による加熱
およびリホーミング複合ユニツトを用いる本発明
方法を示す基本フロー体系図、および第２図は第
１図に示した加熱およびリホーミング複合ユニツ
トによる補充加熱器の使用を示す別の実施態様の
フロー体系図である。 符号の説明、１０……堅型シヤフト移動床反応
器、１２，２１９……還元域、１４……冷却域、
１６……入口、１８……排出口、３０，２３０…
…リホーミングユニツト、３４……第１対流室、
３６，８４……排気筒、３７……ダンパー、３
８，８８……バーナー、５２，８１，２１２，２
１６，２２４，２２６……加熱管、５６……触媒
充填管、６２……熱交換器、６４，１０４，２６
４……急速冷却器、８０，２２０，２８０……加
熱ユニツト、８２……第２対流室、１１６……
CO₂除去ユニツト。１２０……パイプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 大部分が一酸化炭素と水素である熱還元気体
   を反応器内の粒状金属鉱石の本体の間を通過さ
   せ、前記反応器からの流出気体より水分及び二酸
   化炭素を除去し、前記流出気体の少なくとも一部
   を反応器に再循環して還元気体ループを形成し、
   接触リホーム装置内の炭化水素含有気体を高温で
   リホームして、前記ループへ供給される補給還元
   気体を生成し、そして適当な燃料を燃焼して、前
   記リホーム装置内の気体を加熱するための熱燃焼
   生成物を生成させる工程を含んで成る粒状金属鉱
   石を海綿鉄に還元する方法において、 前記水分及び二酸化炭素が除去された流出気体
   と前記補給環元気体が混合還元気体を形成するよ
   うに混合され、 前記リホーム装置を通過した後の前記熱燃焼生
   成物が前記混合還元気体と熱交換関係をもつて加
   熱室を貫流し、当該加熱室内が運転停止されたと
   き、前記リホーム装置からの熱煙道ガスが、前記
   加熱ユニツトに到達する以前にガス抜きされるこ
   とを特徴とする鉄鉱石の海綿鉄への気体還元方
   法。 ２ 炭化水素含有気体が天然である特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ３ 適当な燃料が少なくとも部分的に還元反応器
   からの流出気体である特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ４ 流出気体が部分的に燃焼生成物からの熱によ
   り、そしてまた、部分的には独立の調整可能な加
   熱器から供給される熱によつて加熱される特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ５ 独立の加熱器が第１の比較的低温の加熱域
   （加熱ユニツト）および第２の比較的高温の加熱
   域（高温ユニツト）を有しており、流出気体の第
   １の流れは前記第１の加熱域に供給され、流出気
   体の第２の流れは加熱室に供給され、そして第１
   および第２の流れは組合わされ、かつ前記独立の
   調整可能な加熱器の第２加熱域に供給される特許
   請求の範囲第４項記載の方法。 ６ リホーム装置を貫流する燃焼生成物は、加熱
   室が運転停止されている間に大気中に排出される
   特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 反応器からの流出気体は水分を除去するため
   冷却され、そして再循環部は再加熱される特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ８ 適当な燃料が少なくとも部分的に化石燃料で
   ある特許請求の範囲第７項記載の方法。 ９ 大部分が一酸化炭素と水素である熱還元気体
   により粒状金属鉱石を還元する還元域を有する堅
   型シヤフト移動床反応器、 前記還元域の対向端に設けられた気体入口およ
   び出口装置、 前記入口および出口装置に連結されている外部
   導管であつて、脱水装置、二酸化炭素除去ユニツ
   トおよび主加熱ユニツトを有するもの、 炭化水素のリホーミングによつて補給還元気体
   を生成するようになつている接触リホーム装置、
   および熱煙道ガスを生成する適当な燃料の燃焼に
   よつて前記リホーミング用の熱を提供するように
   なつているバーナー装置を含んで成る粒状金属鉱
   石を海綿鉄に還元するための装置において、前記
   熱煙道ガスを加熱ユニツトに移送し、それにより
   熱煙道ガスの熱含量が前記導管を循環する気体を
   加熱するために利用されるようにした装置と、加
   熱ユニツトが運転停止されたとき、リホーム装置
   からの熱煙道ガスが前記加熱ユニツトに到達する
   以前にガス抜きされるようになつており、それに
   よつてリホーム装置が作用を継続するバイパス装
   置とを備えたことを特徴とする鉄鉱石の海綿鉄へ
   の気体還元装置。 １０ 外部導管が一酸化炭素除去ユニツトを含む
   特許請求の範囲第９項記載の装置。 １１ バイパス装置が煙道ガス排気筒と、その中
   に位置して、加熱ユニツトへの熱煙道ガスの流れ
   を選択的に調整するようになつているダンバーと
   を含んで成る特許請求の範囲第９項機械の装置。 １２ 加熱ユニツトが第２のバーナー装置を有し
   ている特許請求の範囲第９項記載の装置。 １３ 脱水装置が急速冷却器である特許請求の範
   囲第９項記載の装置。 １４ 補充の独立加熱ユニツトを設けた特許請求
   の範囲第１３項記載の装置。 １５ 主および補充加熱ユニツトが並列に外部導
   管に連結されている特許請求の範囲第１４項記載
   の装置。 １６ 補充加熱ユニツトは第１の比較的低温の加
   熱域および第２の比較的高温加熱域を有し、主加
   熱ユニツトおよび補充加熱ユニツトの第１加熱域
   は並列に連結され、そしてその後それらは前記補
   充加熱ユニツトの第２加熱域と直列に連結される
   特許請求の範囲第１４項記載の装置。 １７ 外部導管内の二酸化炭素除去ユニツトを備
   えている特許請求の範囲第１５項記載の装置。